光学传感器和电子器件的制作方法

本公开的实施例涉及光学传感器，并且更具体地涉及光学传感器和电子器件。

背景技术：

光学传感器(如接近度传感器)用于检测附近物体的存在和/或与其距离，并且能够在没有物理接触物体的情况下这样做。光学传感器可以用于各种电子设备中，如相机、电话(包括智能电话)、车辆、机器以及其他用于检测附近物体的存在和/或与其距离的设备。在检测附近物体的存在之后，电子设备可以被配置成用于执行如将机械特征移至安全位置、传输报警信号、耦合或解耦合电通信等功能或者任何其他期望的功能。

光学传感器设置在封装体中，这些封装体通常包括发光器件(例如LED)、光接收传感器(例如光电二极管)以及用于对从光接收传感器接收的信号的进行处理的处理芯片。LED、光电二极管和处理芯片通常形成在分开的裸片上并且被一起封装于传感器封装体中。概括地描述，LED通过传感器封装体的第一开口将辐射发射出去。当物体靠近传感器封装体时，适量的发射辐射被反射离开物体并返回朝向传感器封装体。部分经反射的辐射进入传感器封装体中接近光接收传感器或电二极管的第二开口。光电二极管接收经反射的辐射并生成指示所接收的辐射的电信号，该接收的辐射被传输到处理芯片以进行处理，例如用于确定附近物体的存在和/或与附近物体的距离。

帽盖通常被包括在常规光学传感器封装体中，并且帽盖可以包括内壁，该内壁将发光器件与光接收传感器光学地分隔开。帽盖通常包括两个透明窗口(如玻璃)，其中，第一窗口允许由发光器件所发出的光通过，并且第二窗口允许经反射的光穿过光接收传感器。这些窗户被附接至帽盖。

通气孔有时设置在窗口与帽盖之间，以允许在组装传感器封装体期间进行排气。这提出了各种潜在问题。例如，异物可能穿过通气孔进入光学传感器封装体。此外，外部环境与光学传感器封装体的内侧部分之间的气道可以将光学传感器部件(例如，发光器件、光电二极管、传感器裸片等)直接暴露于湿气下，这可能是不期望的并且可能影响到传感器的可靠性。进一步地，将玻璃窗口附接至帽盖的同时，胶水可能溢出或以其他方式阻挡通气孔，从而防止通气孔在组装工艺中提供通气路径。

技术实现要素：

一个或多个实施例涉及光学传感器(例如，接近度传感器)器件和方法，包括形成在衬底中的通气通道。可以通过形成穿过衬底的一个或多个通孔并且在衬底(例如，阻焊层)的上部部分中形成沟槽来形成通气孔，这些沟槽从衬底中所形成的通孔延伸，在传感器裸片下方，并离开进入传感器器件中的两个光学隔离开的腔室(例如包括发光器件的第一腔室以及包括光接收传感器的第二腔室)中的每一个。一个实施例涉及一种光学传感器，该光学传感器包括：衬底，该衬底具有第一表面；第一通孔，该第一通孔延伸穿过该衬底；沟槽，该沟槽形成在该衬底的该第一表面中并与该第一通孔流体连通；以及传感器裸片，该传感器裸片附接至该衬底的该第一表面，该传感器裸片覆盖该第一通孔以及该沟槽的第一部分，该沟槽的第二部分未被该传感器裸片所覆盖。

在一个实施例中，所述衬底包括阻焊层，所述沟槽形成在所述阻焊层中。

在一个实施例中，该光学传感器进一步包括耦合至所述衬底的发光器件。

在一个实施例中，所述发光器件附接至所述传感器裸片的顶表面。

在一个实施例中，该光学传感器进一步包括帽盖，所述帽盖定位在所述传感器裸片的侧表面周围并且覆盖所述传感器裸片的至少一部分，所述帽盖具有侧壁和内壁，所述内壁将所述发光器件与所述传感器裸片的返回传感器区域光学地分隔开。

在一个实施例中，所述帽盖限定了第一腔室和第二腔室的多个部分，所述第一腔室和所述第二腔室由所述内壁分隔开。

在一个实施例中，所述沟槽的所述第二部分包括第一通气孔和第二通气孔，所述第一通气孔位于所述第一腔室中，所述第二通气孔位于所述第二腔室中。

在一个实施例中，所述传感器裸片通过裸片附接膜附接至所述衬底。

在一个实施例中，该光学传感器进一步包括第二通孔，所述第二通孔延伸穿过所述衬底并与所述沟槽流体连通，所述第二通孔被所述传感器裸片所覆盖。

提供的另一实施例涉及一种电子器件，包括：微处理器；以及光学传感器封装体，所述光学传感器封装体耦合至所述微处理器，所述光学传感器封装体包括：衬底，所述衬底具有第一表面；第一通孔，所述第一通孔延伸穿过所述衬底；沟槽，所述沟槽形成在所述衬底的所述第一表面中并与所述第一通孔流体连通；以及传感器裸片，所述传感器裸片附接至所述衬底的所述第一表面，所述传感器裸片覆盖所述第一通孔以及所述沟槽的第一部分，所述沟槽的第二部分未被所述传感器裸片所覆盖。

在一个实施例中，所述光学传感器封装体进一步包括帽盖，所述帽盖定位在所述传感器裸片的侧表面周围并且覆盖所述传感器裸片的至少一部分，所述帽盖具有侧壁和内壁，所述内壁将所述发光器件与所述传感器裸片的返回传感器区域光学地分隔开。

在一个实施例中，所述帽盖限定了第一腔室和第二腔室的多个部分，所述第一腔室和所述第二腔室由内壁分隔开，其中，所述沟槽的所述第二部分包括第一通气孔和第二通气孔，所述第一通气孔位于所述第一腔室中，所述第二通气孔位于所述第二腔室中。

在一个实施例中，所述电子器件是蜂窝电话、智能电话、平板计算机、相机和可穿戴计算设备中的至少一个。

附图说明

图1A是根据本公开的实施例的不带帽盖的光学传感器的俯视图。

图1B是沿着线1B截取的图1A中的光学传感器的横截面视图，包括帽盖。

图1C是沿着线1C截取的图1A中的光学传感器的横截面视图，包括帽盖。

图2是根据另一实施例的包括延伸穿过衬底的两个通孔的光学传感器的横截面视图。

图3A至图3C是横截面视图，展示了一种根据本公开的实施例形成在图1A至图1C中所示的光学传感器的方法。

图4是框图，展示了根据本公开的实施例的包括光学传感器的电子器件。

具体实施方式

实施例涉及光学传感器以及用于光学器件(包括接近度传感器和飞行时间传感器)的光学传感器封装体。光学传感器包括衬底、发光器件和接收器件(例如，传感器裸片)，该接收器件用于接收从该发光器件发射并被物体朝向该接收器件反射的光。该接收器件包括用于处理所接收的光的接收电路。就此而言，光学传感器能够发射光信号，接收光信号并分析电信号。

图1A是根据本公开的一个或多个实施例的不带帽盖的光学传感器10的俯视图。图1B是沿着图1A中所示的线1B截取的光学传感器10的横截面视图，并且图1C是沿着图1A中所示的线1C截取的光学传感器10的横截面视图。如图1B的横截面图最佳示出的，光学传感器10包括衬底12、传感器裸片14、发光器件16和帽盖18。

概括地描述，衬底12包括一个或多个绝缘层和导电层。衬底12可以包括由上部外层和下部外层13、15包围的衬底芯11。在一个或多个实施例中，衬底12可以是印刷电路板，并且上部外层和下部外层13、15可以是阻焊层。

衬底12的第一(例如，上)表面17包括导电焊盘32，并且衬底12的第二(例如，下)表面19包括导电焊盘或焊区(未示出)。第一表面17上的焊盘32通过导电迹线和/或在衬底12中形成的过孔与第二表面19上的一个或多个焊区进行电通信。衬底12的第二表面19形成光学传感器10的外表面，并且第二表面19上的焊区用于将光学传感器10电耦合至另一个器件或板(未示出)。绝缘材料将其中的导电特征的各个部分进行隔离。

传感器裸片14例如通过粘接剂材料20被固定于衬底12的第一表面17。在一个实施例中，粘合剂材料20是将传感器裸片14固定至衬底12的双面胶带或裸片附接膜。

传感器裸片14由半导体材料(如硅)制成。传感器裸片14包括活性表面，该活性表面包括一个或多个电气部件(如集成电路)。集成电路可以是模拟或数字电路，该模拟或数字电路被实现为在裸片内形成的并且根据裸片的电气设计与功能电互连的有源器件、无源器件、导电层和介电层。具体地，传感器裸片14包括形成专用集成电路(ASIC)的电气部件。因此，如本领域中众所周知的，传感器裸片14包括用于发送、接收和分析电信号的电路。在所展示的实施例中，活性表面位于传感器裸片14的上部部分处。

发光器件16可以被固定至传感器裸片14的上表面(如图1B所示)。可选地，发光器件16可以邻近传感器裸片14被定位并被固定至衬底12的第一(例如，上)表面17。发光器件16可以通过粘接剂材料固定至传感器裸片14的上表面、或衬底12的第一表面17上。粘接剂材料可以是适用于将发光器件16固定至传感器裸片14的上表面的任何材料，如胶带、粘膏、粘胶、裸片附接膜或任何其它合适的材料。

发光器件16被配置成用于以特定频率或频率范围发射辐射。在一个实施例中，发光器件16发射红外(IR)辐射。发光器件16可以是垂直腔表面发射激光器(VCSEL)或发光二极管(LED)(例如，红外LED)。

发光器件16电耦合至该传感器裸片14(例如，直接电耦合至传感器裸片14和/或穿过如图1B的实施例中所示的衬底12直接耦合至传感器裸片14)并且被配置成用于接收电信号(例如，来自传感器裸片14的功率信号)并响应于接收该信号来以特定的频率或频率范围发射辐射。具体地，传感器裸片14通过导电连接器电耦合至衬底12，这些导电连接器在所展示的实施例中为导电线34。就此而言，导电线34的第一端耦合至传感器裸片14上的键合焊盘，并且导电线34的第二端耦合至衬底12第一表面17上的焊盘32。类似地，发光器件16通过一条或多条导电线34电耦合至衬底12的第一表面17。例如，导电线34的第一端可以耦合至发光器件16上的键合焊盘，而导电线34的第二端可以耦合至衬底12的第一表面17上的焊盘32。就此而言，发光器件16可以穿过衬底12与传感器裸片14进行电通信。

在另一个实施例中，导电连接器为导电凸块，使得传感器裸片14和/或发光器件16通过本领域中众所周知的倒装芯片配置耦合至衬底12。

返回传感器22形成于传感器裸片14的上表面中或以其他方式耦合至该传感器裸片的上表面。发光器件16响应于从传感器裸片14接收到的电信号而发射辐射，而返回传感器22接收经反射的辐射并向传感器裸片14提供电信号进行处理。在一个或多个实施例中，返回传感器22可以是或包括光敏元件的阵列，如，光电二极管阵列、单光子雪崩二极管(SPAD)阵列以及被配置成用于检测经反射的辐射的类似阵列。

帽盖18耦合至衬底12以形成用于发光器件16和传感器裸片14的一个或多个空腔。帽盖18包括侧壁42、盖件44和内壁46。图1A展示了不带帽盖18的光学传感器10的俯视图，而图1B和图1C展示了带有帽盖18的光学传感器10的横截面视图。帽盖18的侧壁42固定于衬底12的第一表面17以形成上部空腔，并且帽盖18的内壁46固定于在传感器裸片14的上表面，由此将该上部空腔分离成第一腔室和第二腔室52、54。帽盖18可以被粘接剂材料固定，该粘接剂材料可以是任何粘接剂材料并且可以与上述那些粘接剂材料不同或相同。

帽盖18的盖件44包括位于发光器件16上方的第一开口26，以允许从发光器件16发射的辐射通过第一开口26离开光学传感器10的第一腔室52。帽盖18的盖件44进一步包括位于返回传感器22上方的第二开口28，以允许经反射的辐射进入光学传感器10的第二腔室54并由返回传感器22所接收。

第一透明窗口和第二透明窗口56、58可以可选地附接于帽盖18上(例如，如所示的，附接于盖件44的下表面上)，并且可以因此分别地于第一开口和第二开口26、28与第一腔室和第二腔室52、54之间形成光学透明屏障。第一透明窗口和第二透明窗口56、58可以由任何透明材料(包括例如玻璃)形成，并且可以通过粘接剂材料固定至帽盖18上，该粘接剂材料可以是任何粘接剂材料并且可以与上述那些粘接剂材料不同或相同。第一透明窗口和第二透明窗口56、58可以包括一个或多个用于过滤穿过其的光的滤光器。

在一个或多个实施例中，第一透明窗口和第二透明窗口56、58被定位在形成盖件18中的第一开口26和第二开口28的空间内。

帽盖18的内壁46在发光器件16与返回传感器22之间形成挡光板。即，帽盖18的内壁46将第一腔室与第二腔室52、54光学地隔离，并且防止从发光器件16发射的光通过内壁46被返回传感器22接收。相比而言，除了通过第二开口28(并且可选地通过第二透明窗口58)接收的光之外，返回传感器22被帽盖18光学隔离。

在一个或多个实施例中，帽盖18可以例如由发光器件16和返回传感器22之上的清澈或透明模制以及围绕传感器裸片14的不透明模制所替代。在这类情况中，该清澈模制限定了第一光开口和第二光开口，由发光器件16发出的光以及从物体朝向返回传感器22反射的光可以穿过该第一光开口和第二光开口。

光学传感器10可以进一步包括参考传感器24。参考传感器24可以形成于传感器裸片14的上表面中或以其他方式耦合至该传感器裸片的上表面。参考传感器24定位在发光器件16附近并被配置成用于接收参考光发射，例如，由发光器件16发出的并从具有已知距离或光路长度的附近表面(如帽盖18的内壁46的内表面)反射回参考传感器24的光。在一个或多个实施例中，参考传感器24可以是或包括光敏元件阵列，如，光电二极管阵列、单光子雪崩二极管(SPAD)阵列以及类似阵列。

传感器裸片14的ASIC或在参考传感器24附近形成的传感器裸片14中的单独的参考传感器电路(未示出)被配置成用于在接收到经反射的参考光时接收和处理由参考传感器24生成的一个或多个信号。如在本领域中公知的，传感器裸片14因此可以包括用于发送、接收和分析从返回传感器22以及参考传感器24接收的电信号的电路。

在操作中，传感器裸片14的ASIC被配置成用于使得发光器件16通过第一开口26发光。光被附近物体反射并且行进通过第二开口28，而返回传感器22接收该光。传感器裸片14的ASIC从返回传感器22接收信号并且被配置成用于当接收经反射的光时处理由返回传感器22生成的信号。

图1C是沿图1A的俯视图中所示的中心线(线1C)截取的横截面视图。从图1A的虚线可以看出，并且从图1C的横截面视图中可以更加清楚地看出，光学传感器10包括一直延伸穿过衬底12的通孔70。第一通气通道72耦合在通孔70与第一通气孔76之间并与这两者流体连通。第二通气通道74耦合在通孔70与第二通气孔78之间并与这两者流体连通。如图1A中实线所示的第一通气孔76延伸超过传感器裸片14并与第一腔室52流体连通，并且如图1A中实线所示的第二通气孔78延伸超过传感器裸片14并与第二腔室54流体连通。因此，可以从衬底12的外部将空气(例如，经由通孔70)自由地排出到第一腔室和第二腔室52、54，并且相反地，可以通过通孔70将空气从第一室和第二室52、54自由地排出到基底12的外部。这对于在组装工艺期间可能遇到的在光学传感器10的热暴露期间允许空气的流动而言是特别有利的，例如：在用于将帽盖18固定至衬底12、用于在将第一透明窗口和第二透明窗口56、58固定至帽盖18的附接和/或固化工艺期间；在用于将光学传感器10固定至另一个板或器件等的倒装芯片或焊料回流工艺期间等。

此外，将容易理解到在组装好光学传感器10之后，例如，在光学传感器已经经受包括诸如胶合或固化的热暴露(如在盖件18的附接期间)、焊料回流工艺(如，将发光器件16固定至传感器裸片14、或将光学传感器10固定至另一个电路板或器件)等处理之后，可以关闭或填充通孔70，由此在光学传感器10内的元件的异物和湿度暴露方面提供更好的保护。

如图1C所示，一旦第一通气通道和第二通气通道72、74(例如，经由粘合剂材料20，如裸片附接膜)附接到衬底12上，第一通气通道和第二通气通道72、74便可以形成于衬底12的上表面与传感器裸片14的下表面之间。通过以下方式来形成第一通气通道和第二通气通道72、74：去除衬底12的上部外层13(例如，上阻焊层)的一部分(由此限定出通气通道72、74的底部和侧壁)，然后将传感器裸片14附接至衬底12(由此限定出通气通道72、74的顶壁)。

类似地，第一通气孔和第二通气孔76、78可以形成在衬底12的上部外层13中，并且可以是延伸到第一腔室和第二腔室52、54中的第一通气通道和第二通气通道72、74的多个部分(例如，通过延伸超过传感器裸片14的周边进入第一腔室和第二腔室52、54)。

而光学传感器10在图1A到图C示出为包括单个通孔70和两个通气孔76、78，将容易理解到光学传感器10可以包括衬底，该衬底具有任何数量的通孔以用于将空气排入到任何数量的通气通道中或从任何数量的通气通道中排出、以及任何数量的通气通道以用于将空气排入到第一腔室和第二腔室中或将空气从第一腔室和第二腔室中排出。例如，图2是根据本公开的另一示例性实施例的光学传感器100(具有与图1C类似的视图，即，沿着光学传感器100的类似的中心线截取的)的横截面视图。除了以下将要讨论的差异之外，图2的光学传感器100在结构和功能上与图1A到图1C的光学传感器10类似。简洁起见，在此将不再描述光学传感器10和100共有的特征。

图2所示的光学传感器100与图1A到图1C所示的光学传感器10之间的差别在于光学传感器100包括延伸穿过衬底12的两个通孔170、171。通孔170、171被显示为与单个通气通道172流体连通。然而，将容易理解到两个或更多个独立的通气通道可以包括在光学传感器10中并且与一个或两个通孔170、171流体连通。例如，每个通孔170、171可以与特定的通气通道流体连通，每个通气通道与一个或多个通气孔流体连通以用于将空气排出到光学传感器100的第一腔室和第二腔室中或将空气从该光学传感器的第一腔室和第二腔室中排出。

图3A到图3C是横截面视图(例如，沿图1A所示的中心线1C所截取)，该横截面视图示出了根据一个实施例的制造图1A到图1C的光学传感器10的方法。如图3A所示，沟槽172形成在衬底12的第一(例如，上)表面17中。沟槽172可以形成在衬底12的上部外层13中，如上所述，该衬底可以是阻焊层。尽管未示出，但是沟槽172具有第一通气通道和第二通气通道72和74以及第一通气孔和第二通气孔76和78的形状。就此而言，图3A中的沟槽172的左侧也在离开页面的方向上延伸，并且沟槽172的右侧也在进入页面的方向上延伸。

可以通过用于形成沟槽的任何方法(包括蚀刻和切割)来形成沟槽172。在一个实施例中，在将阻焊层耦合至衬底芯11之前，沟槽172形成为阻焊层中的通孔。在另一个实施例中，在阻焊层位于芯材11上之后形成沟槽172。沟槽172可以延伸穿过如图3A所示上部外层13的整个厚度，或者延伸穿过上部外层13的厚度的一部分。

进一步地，如图3A所示，穿过衬底12形成通孔70，并且该通孔与沟槽172流体连通。可以通过用于在衬底12中形成通孔的任何方法(例如，通过蚀刻、穿孔、钻孔等)穿过衬底12形成通孔70。通孔70与沟槽172流体连通并可以形成在以沟槽172为中心并切穿沟槽172的位置处。而图3A描绘了如本文所讨论的单个沟槽和单个通孔70的形成，可以穿过衬底12形成两个或更多个通孔(例如，如图2所示)，并且可以在衬底12中形成两个或更多个沟槽。

如图3B所示，传感器裸片14附接至衬底12在沟槽172的至少一部分之上的第一表面17，但将沟槽172的端部从传感器裸片14中暴露出来。也就是说，通过将传感器裸片14附接至衬底12，传感器裸片14在沟槽172之上形成了盖件，由此限定出第一通气通道和第二通气通道72、74。在所示实施例中，沟槽172的一部分未被覆盖，这使得在传感器裸片14被固定至衬底12之后形成了第一通气孔和第二通气孔76、78。

可以使用具有合适的结构的粘合剂材料20将传感器裸片14附接至衬底12，该粘合剂材料不会流入沟槽172及通孔70中。例如，将双面胶带或裸片附接膜施加于传感器裸片14的下表面和传感器裸片14的底表面中的至少一个。

发光器件16耦合至传感器裸片14的上表面(如例如可以从图1B的横截面视图中看到)。应当理解的是，在将传感器裸片14附接至衬底12之前或之后可以将发光器件16电耦合至传感器裸片14的上表面。

传感器裸片14和发光器件16被电耦合至衬底12的第一表面17。在所示实施例中，通过将导线34的第一端耦合至传感器裸片14的焊盘并且将导线34的第二端耦合至衬底12的焊盘32来完成电耦合。应理解的是，可以在一个或多个实施例中通过倒装芯片工艺来提供电耦合和机械耦合，例如通过在传感器裸片14的下表面与衬底12的第一(即，上)表面17上的焊盘32之间回流焊球。

如图3C所示，帽盖18被固定至衬底12的第一(即，上)表面17上，其中，侧壁42位于传感器裸片14及导线34的外侧。帽盖18的内壁46固定至传感器裸片14的上表面。在将帽盖18和传感器裸片14的表面和衬底12的表面耦合在一起之前，在它们中的至少一项上提供粘合剂材料。

在将帽盖18固定至衬底12之前，第一透明窗口和第二透明窗口56、58可以耦合至帽盖18(例如，在将帽盖18固定至衬底12之前，第一透明窗口和第二透明窗口56、58可以附接至第一开口26和第二开口28之下或之内)。可选地，在一个或多个实施例中，帽盖18可以固定至衬底12和/或传感器裸片14以形成第一开口和第二开口26、28，而不包括第一透明窗口和第二透明窗口56、58。在又另一实施例中，在帽盖被固定至衬底12之后，第一透明窗口和第二透明窗口56、58被耦合至帽盖18的外表面。

图4示出了包括本文所描述的光学传感器(如光学传感器10或光学传感器100)的电子器件400，该光学传感器耦合至微处理器402。微处理器402可以是被配置成用于接收或发送电信号至光学传感器封装体10或100的任何电路。电子器件400可以进一步包括被配置成用于为器件提供电力的电源404。电源404(该电源可以是用于耦合至外部电源的电池或部件)可以耦合至微处理器402。电子器件400还可以包括耦合至或并入到微处理器402中的存储器406。

在一个或多个实施例中，电子器件400可以是蜂窝电话、智能电话、平板计算机、相机和/或可以位于衣服、鞋子、手表、眼镜或是其他任意可穿戴结构中的可穿戴计算装置。在某些实施例中，电子器件400或光学传感器10本身可以位于如轮船和汽车的交通工具、机器人或者任何其他可移动结构或机器中。

上述各实施例可以组合以提供进一步的实施例。鉴于以上的详细描述，可以对实施例做出这些和其他改变。总之，在以下权利要求书中，所使用的术语不应当被解释为将权利要求书局限于本说明书和权利要求书中所公开的特定实施例，而是应当被解释为包括所有可能的实施例、连同这些权利要求有权获得的等效物的整个范围。因此，权利要求书并不受本公开的限制。